隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用
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试验加载过程中，加压面和模型体之间存在摩 擦阻力，从而导致模型体的应力小于加载系统所施 加的压力。模型试验中采用聚四氟乙烯薄膜作为减 摩材料，其摩擦因数为 0.08～0.12[9-13]，效果较为理 想。
(a) 液压控制柜
(b) 十五路液压站
图 2 安装完成的模型试验台架 Fig.2 Model test bench after installation
2.2 液压加载控制系统 所采用的液压加载控制系统可实现自动控制液
压，并可进行均匀梯级加载，稳压时间长达 360 h 以上。该系统主要由液压控制柜、液压千斤顶、高 压油泵、油箱、分油器、液压传感器等组成。模型 顶面模拟垂向重力荷载，设置了 24 个千斤顶，左右 2 个水平方向模拟梯度加载，各设置了 24 个千斤 顶，每个千斤顶的吨位均达到了 40 t。图 3 为安装 调试完成的液压加载控制系统。
结果对类似工程研究具有一定的借鉴和指导意义。
关键词：隧道工程；地质力学模型试验；施工过程；大比尺；试验系统
中图分类号：U 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2011)07–1368–07
DEVELOPMENT OF LARGE-SCALE GEOMECHANICAL MODEL TEST SYSTEM FOR TUNNEL CONSTRUCTION AND ITS APPLICATION
但上述模型试验系统存在以下主要问题：由弹 性力学知识可知，隧道施工过程的影响范围为 3～5 倍洞径，大多数模型试验系统的尺寸为 3～5 倍隧道 (洞)洞径，无法进行大比尺地下工程的模型试验以 削弱模型的边界效应；真三维和平面试验系统较多， 无法真实模拟三维地下工程纵深方向的施工力学效 应规律研究；不能实现均匀梯级加载，模拟真实的 初始地应力场；试验系统的强度和刚度或液压加载 系统难以实现高地应力以及超载破坏模拟试验；试
第 30 卷 第 7 期 2011 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.7 July，2011
隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用
李术才 1，刘 钦 1，李利平 1，赵 勇 2，王汉鹏 1，赵 岩 1，原小帅 1
• 1370 •
顶板 法兰 开窗口
立柱 前反 力墙
底板
岩石力学与工程学报
单榀
拉杆 液压加 载装置
2011 年
(a) 三维设计图
(b) 模型装置侧视图
图 1 三维地质力学模型试验台架装置设计示意图
Fig.1 Design sketch of the test bench for 3D geomechanical model tests
收稿日期：2011–02–26；修回日期：2011–04–13 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51009085，50904043)；铁道部科技研究开发计划课题(2009G005–C) 作者简介：李术才(1965–)，男，博士，1987 年毕业于山东矿业学院土木工程系矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事裂隙岩体断裂损 伤、地质灾害超前预报与防治等方面的教学与研究工作。E-mail：lishucai@sdu.edu.cn
LI Shucai1，LIU Qin1，LI Liping1，ZHAO Yong2，WANG Hanpeng1，ZHAO Yan1，YUAN Xiaoshuai1
(1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China； 2. Consulting Department of Bridge and Tunnel，Identification Center for Engineering Design of Ministry of Railways， Beijing 100844，China)
模型试验系统是开展地质力学模型试验的前 提，近年来，有关地下工程的地质力学模型试验系 统装置主要有：陈霞龄等[5]研制了平面应力试验装 置及加载系统，成功开展了地下洞群的平面应变试 验；李仲奎等[6]研制了一种离散化三维多主应力面 加载试验系统，成功应用于大型地下洞群模型试验； 陈安敏等[7]研制了平面应变三向加载地质力学模型 试验装置，并应用于多个地下工程的模型试验研究； 蒋树屏等[8]采用“公路隧道结构与围岩综合试验系 统”研究了公路隧道施工力学形态；姜耀东等[9]研 制了一种新型真三轴巷道平面模型试验台，开展了 大量复杂条件下巷道稳定性的模型试验；张强勇 等[10]研制了一种组合式地质力学模型试验系统，并 应用于分岔隧道工程；朱维申等[11-12]研制了真三维 模型试验台架装置，并应用于高地应力条件下大型 地下洞群围岩稳定性研究。
(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；2. 铁道部工程设计鉴定中心桥隧咨询部，北京 100844)
摘要：为研究隧道不同开挖方法的施工力学过程，研制大比尺三维模型试验系统，该系统最大外部尺寸为 5.2 m×
4.5 m×2.7 m(宽×高×厚)，结构合理，可任意拆卸，组合拼装，自动液压控制系统具有压力高、保压时间长、可
三维模型试验装置由四榀独立框架组合而成， 每榀框架厚 0.5 m，均可配合前后反力墙及液压加 载装置单独进行试验，适应不同模型尺寸的要求。 单榀可进行平面应力和平面应变条件下的模型试验。
模型装置采用高强度合金钢材料，强度、刚度、 抗冲击韧性好，耐腐蚀，可长期使用；同时，通过 高强螺栓、法兰将顶梁、侧梁和底梁连接在一起； 前后反力墙由长梁组成并连接于侧梁上，底部与模 型推车连接，上部和左右由拉杆将前后反力墙连接， 整个模型装置结构整体上窄下宽，侧面斜面设计， 受力明确、结构合理、造型美观，保证了整体刚度 和强度。模型最大外部尺寸 5.2 m×4.5 m×2.7 m(宽× 高×厚)，可任意拆卸，组合拼装，既能满足大比尺 的三维地质力学模型试验的要求，也可进行二维模 型试验。模型中隧道尺寸最大跨度 30 cm，拱顶距 离底板高度为 25 cm，且可通过高强度钢化玻璃透 视窗口观察洞周的变形和围岩的破裂规律及相关现 象，并能够对模型进行超载破坏试验。模型可升降 移入移出，便于模型制作与试验完成后模型体内部 变形破坏剖视。此外，模型试验装置具有较好的扩 展性能，即在现有模型试验装置上，增设前后加载 装置，实现真三维模型试验研究。该系统的液压加 载装置功能先进，具有完全自动控制、压力高、保 压时间长、稳步加载、可进行梯级加载等特点，能 够实现各类地下工程的开挖模拟。图 1 为三维地质 力学模型试验台架装置设计示意图，主要包括顶板、 底板、法兰、拉杆和立柱等。安装完成后的模型试 验台架如图 2 所示。
Abstract：In order to study the process of construction mechanics under different excavation methods，a large-scale model test system is developed. Its maximum external dimensions is 5.2 m wide，4.5 m high，and 2.7 m thick. It has the features of stressing definite，reasonable structure. It can be disassembled and combined at will. Automatic hydraulic control system has the features of high pressure，long pressure holding time，steady loading and loading in gradient，etc. Various 3D and 2D geomechanical model tests of underground engineering can be satisfied. On the basis of the existing geomechanics similar material，a material ratio was attained for soft rock by a large number of different material ratios with their mechanical parameters being tested. Large scale 3D geomechanical model test about construction process of railway tunnel was developed. The changing mechanical process was simulated truthfully. Test results show that the test system is stable and reliable，and can be widely used for geomechanical model test in other underground engineering；research methods，techniques and the results make certain guiding significance to the practical engineering. Key words：tunnelling engineering；geomechanical model test；construction process；large-scale；test system
进行稳步梯级加载等特点，能够满足各类地下工程的三维和平面地质力学模型试验的要求。在既有地质力学相似
材料的基础上，通过大量的不同材料配比及其力学参数测试，获得满足 V 级软弱围岩的相似材料配比。基于此开
展铁路隧道施工过程的大比尺三维地质力学模型试验，真实模拟隧道在开挖和支护过程中不断变化的力学过程。
Байду номын сангаас
试验结果表明，该系统稳定可靠，可广泛应用于其他地下工程的地质力学模型试验研究，其研究方法技术及所得
第 30 卷 第 7 期
李术才等：隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用
• 1369 •
1引言
地下工程岩石隧道研究是岩石力学与工程研究 的最重要、最复杂的领域之一。隧道的施工过程， 严格地说就是开挖和支护 2 个过程[1]，隧道施工过 程中应力重分布、断面收敛、坑道失稳等，都与时 间、施工技术息息相关。掌握隧道施工过程的力学 效应规律，对指导隧道的设计与施工具有重要的意 义[2]。地质力学模型试验、数值模拟和现场试验是 解决这类问题的主要研究手段。大量工程实践证明， 地质力学模型试验方法是研究大型岩土工程问题， 特别是地下工程问题的一种行之有效的方法[3]，它 能够真实地反映地质构造和工程结构的关系，准确 地模拟施工过程和影响，试验结果给人以更直观的 感觉，使人们更容易从全局上把握岩体工程整体力 学特征、变形趋势和稳定性特点，从而做出判断[4]。 因此，开展大比尺地质力学模型试验非常必要。
验完成后，模型难以升降或移入移出，以实现模型 体内部变形破坏剖视。
为解决现有模型试验系统的不足，本文研制了 一种大尺寸且尺寸可调，能够实现均匀梯级加载和 超载破坏模拟的大比尺三维模型试验系统，并将其 应用于隧道施工过程地质力学模型试验研究。
2 模型试验系统的研制
模型试验系统装置由试验台架和液压加载系统 组成。模型试验台架主要包括模型反力架、法兰盘 和反力传递板等，作为模型加载的反力装置；液压 加载系统主要包括液压控制柜、液压千斤顶、高压 油泵、油箱、分油器、液压传感器等，用于模型体 的独立、自动加载与稳压。 2.1 模型试验台架
(a) 液压控制柜
(b) 十五路液压站
图 2 安装完成的模型试验台架 Fig.2 Model test bench after installation
2.2 液压加载控制系统 所采用的液压加载控制系统可实现自动控制液
压，并可进行均匀梯级加载，稳压时间长达 360 h 以上。该系统主要由液压控制柜、液压千斤顶、高 压油泵、油箱、分油器、液压传感器等组成。模型 顶面模拟垂向重力荷载，设置了 24 个千斤顶，左右 2 个水平方向模拟梯度加载，各设置了 24 个千斤 顶，每个千斤顶的吨位均达到了 40 t。图 3 为安装 调试完成的液压加载控制系统。
结果对类似工程研究具有一定的借鉴和指导意义。
关键词：隧道工程；地质力学模型试验；施工过程；大比尺；试验系统
中图分类号：U 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2011)07–1368–07
DEVELOPMENT OF LARGE-SCALE GEOMECHANICAL MODEL TEST SYSTEM FOR TUNNEL CONSTRUCTION AND ITS APPLICATION
但上述模型试验系统存在以下主要问题：由弹 性力学知识可知，隧道施工过程的影响范围为 3～5 倍洞径，大多数模型试验系统的尺寸为 3～5 倍隧道 (洞)洞径，无法进行大比尺地下工程的模型试验以 削弱模型的边界效应；真三维和平面试验系统较多， 无法真实模拟三维地下工程纵深方向的施工力学效 应规律研究；不能实现均匀梯级加载，模拟真实的 初始地应力场；试验系统的强度和刚度或液压加载 系统难以实现高地应力以及超载破坏模拟试验；试
第 30 卷 第 7 期 2011 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.30 No.7 July，2011
隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用
李术才 1，刘 钦 1，李利平 1，赵 勇 2，王汉鹏 1，赵 岩 1，原小帅 1
• 1370 •
顶板 法兰 开窗口
立柱 前反 力墙
底板
岩石力学与工程学报
单榀
拉杆 液压加 载装置
2011 年
(a) 三维设计图
(b) 模型装置侧视图
图 1 三维地质力学模型试验台架装置设计示意图
Fig.1 Design sketch of the test bench for 3D geomechanical model tests
收稿日期：2011–02–26；修回日期：2011–04–13 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51009085，50904043)；铁道部科技研究开发计划课题(2009G005–C) 作者简介：李术才(1965–)，男，博士，1987 年毕业于山东矿业学院土木工程系矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事裂隙岩体断裂损 伤、地质灾害超前预报与防治等方面的教学与研究工作。E-mail：lishucai@sdu.edu.cn
LI Shucai1，LIU Qin1，LI Liping1，ZHAO Yong2，WANG Hanpeng1，ZHAO Yan1，YUAN Xiaoshuai1
(1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China； 2. Consulting Department of Bridge and Tunnel，Identification Center for Engineering Design of Ministry of Railways， Beijing 100844，China)
模型试验系统是开展地质力学模型试验的前 提，近年来，有关地下工程的地质力学模型试验系 统装置主要有：陈霞龄等[5]研制了平面应力试验装 置及加载系统，成功开展了地下洞群的平面应变试 验；李仲奎等[6]研制了一种离散化三维多主应力面 加载试验系统，成功应用于大型地下洞群模型试验； 陈安敏等[7]研制了平面应变三向加载地质力学模型 试验装置，并应用于多个地下工程的模型试验研究； 蒋树屏等[8]采用“公路隧道结构与围岩综合试验系 统”研究了公路隧道施工力学形态；姜耀东等[9]研 制了一种新型真三轴巷道平面模型试验台，开展了 大量复杂条件下巷道稳定性的模型试验；张强勇 等[10]研制了一种组合式地质力学模型试验系统，并 应用于分岔隧道工程；朱维申等[11-12]研制了真三维 模型试验台架装置，并应用于高地应力条件下大型 地下洞群围岩稳定性研究。
(1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；2. 铁道部工程设计鉴定中心桥隧咨询部，北京 100844)
摘要：为研究隧道不同开挖方法的施工力学过程，研制大比尺三维模型试验系统，该系统最大外部尺寸为 5.2 m×
4.5 m×2.7 m(宽×高×厚)，结构合理，可任意拆卸，组合拼装，自动液压控制系统具有压力高、保压时间长、可
三维模型试验装置由四榀独立框架组合而成， 每榀框架厚 0.5 m，均可配合前后反力墙及液压加 载装置单独进行试验，适应不同模型尺寸的要求。 单榀可进行平面应力和平面应变条件下的模型试验。
模型装置采用高强度合金钢材料，强度、刚度、 抗冲击韧性好，耐腐蚀，可长期使用；同时，通过 高强螺栓、法兰将顶梁、侧梁和底梁连接在一起； 前后反力墙由长梁组成并连接于侧梁上，底部与模 型推车连接，上部和左右由拉杆将前后反力墙连接， 整个模型装置结构整体上窄下宽，侧面斜面设计， 受力明确、结构合理、造型美观，保证了整体刚度 和强度。模型最大外部尺寸 5.2 m×4.5 m×2.7 m(宽× 高×厚)，可任意拆卸，组合拼装，既能满足大比尺 的三维地质力学模型试验的要求，也可进行二维模 型试验。模型中隧道尺寸最大跨度 30 cm，拱顶距 离底板高度为 25 cm，且可通过高强度钢化玻璃透 视窗口观察洞周的变形和围岩的破裂规律及相关现 象，并能够对模型进行超载破坏试验。模型可升降 移入移出，便于模型制作与试验完成后模型体内部 变形破坏剖视。此外，模型试验装置具有较好的扩 展性能，即在现有模型试验装置上，增设前后加载 装置，实现真三维模型试验研究。该系统的液压加 载装置功能先进，具有完全自动控制、压力高、保 压时间长、稳步加载、可进行梯级加载等特点，能 够实现各类地下工程的开挖模拟。图 1 为三维地质 力学模型试验台架装置设计示意图，主要包括顶板、 底板、法兰、拉杆和立柱等。安装完成后的模型试 验台架如图 2 所示。
Abstract：In order to study the process of construction mechanics under different excavation methods，a large-scale model test system is developed. Its maximum external dimensions is 5.2 m wide，4.5 m high，and 2.7 m thick. It has the features of stressing definite，reasonable structure. It can be disassembled and combined at will. Automatic hydraulic control system has the features of high pressure，long pressure holding time，steady loading and loading in gradient，etc. Various 3D and 2D geomechanical model tests of underground engineering can be satisfied. On the basis of the existing geomechanics similar material，a material ratio was attained for soft rock by a large number of different material ratios with their mechanical parameters being tested. Large scale 3D geomechanical model test about construction process of railway tunnel was developed. The changing mechanical process was simulated truthfully. Test results show that the test system is stable and reliable，and can be widely used for geomechanical model test in other underground engineering；research methods，techniques and the results make certain guiding significance to the practical engineering. Key words：tunnelling engineering；geomechanical model test；construction process；large-scale；test system
进行稳步梯级加载等特点，能够满足各类地下工程的三维和平面地质力学模型试验的要求。在既有地质力学相似
材料的基础上，通过大量的不同材料配比及其力学参数测试，获得满足 V 级软弱围岩的相似材料配比。基于此开
展铁路隧道施工过程的大比尺三维地质力学模型试验，真实模拟隧道在开挖和支护过程中不断变化的力学过程。
Байду номын сангаас
试验结果表明，该系统稳定可靠，可广泛应用于其他地下工程的地质力学模型试验研究，其研究方法技术及所得
第 30 卷 第 7 期
李术才等：隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用
• 1369 •
1引言
地下工程岩石隧道研究是岩石力学与工程研究 的最重要、最复杂的领域之一。隧道的施工过程， 严格地说就是开挖和支护 2 个过程[1]，隧道施工过 程中应力重分布、断面收敛、坑道失稳等，都与时 间、施工技术息息相关。掌握隧道施工过程的力学 效应规律，对指导隧道的设计与施工具有重要的意 义[2]。地质力学模型试验、数值模拟和现场试验是 解决这类问题的主要研究手段。大量工程实践证明， 地质力学模型试验方法是研究大型岩土工程问题， 特别是地下工程问题的一种行之有效的方法[3]，它 能够真实地反映地质构造和工程结构的关系，准确 地模拟施工过程和影响，试验结果给人以更直观的 感觉，使人们更容易从全局上把握岩体工程整体力 学特征、变形趋势和稳定性特点，从而做出判断[4]。 因此，开展大比尺地质力学模型试验非常必要。
验完成后，模型难以升降或移入移出，以实现模型 体内部变形破坏剖视。
为解决现有模型试验系统的不足，本文研制了 一种大尺寸且尺寸可调，能够实现均匀梯级加载和 超载破坏模拟的大比尺三维模型试验系统，并将其 应用于隧道施工过程地质力学模型试验研究。
2 模型试验系统的研制
模型试验系统装置由试验台架和液压加载系统 组成。模型试验台架主要包括模型反力架、法兰盘 和反力传递板等，作为模型加载的反力装置；液压 加载系统主要包括液压控制柜、液压千斤顶、高压 油泵、油箱、分油器、液压传感器等，用于模型体 的独立、自动加载与稳压。 2.1 模型试验台架